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Observaciones multi-mensajero de una colisión de estrellas de neutrones.

 Crédito de la imagen destacada: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

 

El día 17 de Agosto de 2017, ondulaciones viajando a través del tejido del espacio-tiempo, atravesaron un pequeño planeta a más de 100 millones de años luz de distancia, estirando y comprimiendo sutilmente este pequeño punto azul apenas una fracción de un átomo. Momentos más tarde, un estallido de rayos gamma de alta energía completó también su viaje hasta nuestra ubicación en la Vía Láctea, seguida de un arco iris de información en el espectro electromagnético. La recolección y el análisis de esta cantidad de información diversa proveniente de un solo sistema se considera el comienzo de una nueva rama de la astronomía, llamada astronomía con mensajeros múltiples (del inglés multi-messenger astronomy).

Las ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo, también conocidas como ondas gravitacionales, (GW, por sus siglas en inglés), pueden generarse en grandes cantidades durante la fusión de dos objetos masivos y compactos; en este caso dos estrellas de neutrones. La colaboración LIGO/Virgo, que cuenta con dos interferómetros de ondas gravitacionales en Estados Unidos y otro en Italia, fue testigo de los últimos 100 segundos de vida de un sistema binario de estrellas de neutrones. Después de haber evolucionado posiblemente por miles de millones de años, estas estrellas de neutrones se precipitaron en una órbita espiral que condujo inevitablemente a la fusión de los dos objetos. Este evento ha sido llamado GW170817, y se puede apreciar en la Figura 1 donde se muestran los últimos 30 segundos del baile de espiral de este sistema, durante los cuales crece la frecuencia y la amplitud de emisión de ondas gravitacionales a medida que la distancia entre estos objetos disminuye.

Sin embargo, éste es apenas el comienzo de la historia.

Buenas Vibraciones

Figura 1 (Figura 1 del artículo original I): Espectrogramas de la señal del evento GW170817 en los detectores de Hanfort, Livingston y Virgo. La señal binaria muestra un chirrido característico, con un aumento en la frecuencia y la amplitud de la medición, a medida que las estrellas se acercan.

En el 2015, el detector LIGO hizo las primeras observaciones de ondas gravitacionales producidas durante la colisión de dos agujeros negros, detección GW150914. Desde ese momento hasta ahora, se han detectado 3 nuevos eventos de colisión de agujeros negros. El último de estos eventos, GW170814, ha sido detectado recientemente  también con la colaboración del experimento Virgo.

En teoría, la fusión de estrellas de neutrones también debería generar una cantidad de ondas gravitacionales observable. Sin embargo, la detección de ondas gravitacionales provenientes de estos eventos permanecía esquiva. Cabe recordar que las estrellas de neutrones, dieron lugar a la primera evidencia indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales. Esta se produjo al observar la evolución de la órbita del sistema binario Hulse-Taylor. Esta binaria, descubierta en 1970, tiene un periodo orbital que decae rápidamente. Este efecto  podía ser explicado por medio de la emisión de ondas gravitacionales, predichas por Einstein 60 años antes. Sus descubridores, Hulse y Taylor, ganaron el premio Nobel de Física en 1994 por este descubrimiento. Ahora, 50 años mas tarde, y justo unos días después de que se otorgue otro premio Nobel de Física (2017) para logros relacionados con las ondas gravitacionales, hemos encontrado evidencia directa de la emisión de ondas gravitacionales provenientes de un sistema binario de estrellas de neutrones.

Basándonos en la señal de las ondas gravitacionales, podemos inferir una gran cantidad de información acerca del sistema binario, como por ejemplo la masa original de las estrellas de neutrones, que tan rápido orbitan estas estrellas y que tan lejos se encuentra el sistema. La propiedad que mejor podemos calcular de una colisión de este tipo de sistemas es la masa combinada de las estrellas, conocida también como la masa de chirrido. Esta cantidad es la causante de la señal de “chirrido” la cual puede ser observada en la Figura 1, y mejor aún, la podemos escuchar dado que se encuentra en el rango de frecuencias audible por el ser humano. Se estima que la masa original de las estrellas de neutrones de GW170817 es 1.17 y 1.6 veces la masa del Sol respectivamente. Este sistema es similar a los sistemas binarios que observamos en nuestra Galaxia. Pero, ¿qué tipo de objeto ha sido creado por la fusión de estas estrellas? La verdad, ¡es que aún no lo sabemos! Es posible que se haya creado una de las estrellas de neutrones mas masiva jamás observada, o uno de los agujeros negros más ligero jamás observado.

Estas estrellas de neutrones se fusionaron a unos 130 millones de años luz de distancia. Eso quiere decir que en el momento en el que estas estrellas colisionaron, los dinosaurios aún caminaban la Tierra. Aunque esto puede parecer muy lejano, realmente este evento está bastante cerca, unas 11 veces más cerca que la primera detección de LIGO: GW150914. Adicionalmente, debido a la baja masa de las estrellas de neutrones comparada con los agujeros negros, estos eventos pasan más tiempo en el rango de frecuencias medido por LIGO, lo cual ha permitido capturar unas 1500 órbitas de este sistema binario comparado con las ~10 órbitas observadas en GW150914. La combinación de que éste haya sido un evento cercano, comprenda un rango de frecuencias ideal para LIGO, el hecho de que sensibilidad de los detectores ha aumentado en los últimos años y la unión de fuerzas con el interferómetro Virgo, hacen que el evento GW170817 sea la señal de ondas gravitacionales más ruidosa hasta el momento.

Posiblemente, lo más importante de la historia, es que el evento GW170817, ha podido ser asignado a una región en el cielo mucho más pequeña que en eventos anteriores. Esta región comprende 30 grados cuadrados, aproximadamente 150 veces la luna llena. Para la detección de ondas gravitacionales esta región es pequeña, pero sigue siendo bastante grande para la observación directa con telescopios de alta resolución. Sin embargo, dado que las estrellas de neutrones están compuestas de materia luminosa, al contrario de los agujeros negros, era de esperarse que una fusión de estrellas de neutrones, estuviese seguida por una gran cantidad de información en el espectro electromagnético.

Dejad que haya luz

Adicionalmente a la gran cantidad de información que podríamos estudiar de las ondas gravitacionales por sí solas, la detección de ondas electromagnéticas provenientes de este sistema ha permitido conectar diversos fenómenos astronómicos a un mismo evento: las fusión estrellas de neutrones con las explosiones de rayos gamma de corta duración y la nucleosíntesis de elementos pesados.

Después de la primera detección de LIGO, telescopios de rayos gamma como el Fermi-GRB y el INTEGRAL, detectaron leves emisiones de rayos gamma, con una duración aproximada de unos cuantos segundos. Sin embargo, esta última detección, ha ligado definitivamente a las estrellas de neutrones con las ráfagas de rayos gamma de corta duración (sGRB por sus siglas en inglés). Este evento ha sido unos cuantos órdenes de magnitud menos brillante que los sRGB comunes, lo cual continúa siendo un misterio.

Siguiendo el anuncio de LIGO, varios equipos de astrónomos alrededor del mundo, apuntaron sus telescopios en esa dirección del cielo en busca de el evento. Once horas después de la fusión, el equipo de Un-Metro y Dos-Hemisferios (1M2H), fue el primero en anunciar el descubrimiento de una señal transitoria en la galaxia NGC 4993.

Figura 2 (Figura 1 del artículo original II): Localización en el cielo del sistema binario responsable de la producción de ondas gravitacionales. A la derecha se encuentran las imágenes observadas de la kilonova. LEYENDA — Verde claro: localización espacial estimada por LIGO. Verde oscuro: localización combinando LIGO y Virgo. Azul claro, localización inferida por INTEGRAL. Azul oscuro, Fermi/GBM.

 

Después de examinar el espectro de este evento transitorio, se ha descubierto que este evento corresponde a la categoría de kilonova, nunca antes  observada. Las kilonovas como ésta pueden ser el lugar de formación de muchos de los elementos pesados en el Universo gracias al proceso de captura rápida de neutrones.

Finalmente, tras semanas del descubrimiento original de las ondas gravitacionales, varios equipos de astrónomos han observado un incremento en el brillo de rayos-X y en las ondas de radio: el resplandor crepuscular de los sGRB. Esta emisión estaría causada por la interacción entre los rayos gamma y la material interestelar alrededor de la fusión.

La colaboración internacional entre LIGO y Virgo ha estado en funcionamiento durante apenas dos años y en este tiempo ha logrado abrir una nueva rama de la astronomía. ¿Quién puede saber qué nos depara el futuro?

 

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